基于锁相环的频率综合器技术探讨

　　张心泽周金亮
　　【摘要】随着微波通信技术的迅速发展，人们对通信设备的要求也越来越高。在现代通信系统中，基于锁相环的频率综合器具有频率稳定度高、使用灵活、控制方便、相位噪声低等优点，对于提高电子系统的控制效果具有重要的应用价值。本文对基于锁相环的频率综合器技术进行了探讨。
　　【关键词】锁相环；频率综合器；鉴频鉴相器；晶体振荡器
　　21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。随着通信技术的飞速发展，频率综合器在射电天文、卫星导航、通信、电子对抗、雷达测量等电子信息通信领域的应用已经越来越广泛。在这些先进的电子系统中，高质量的频率综合器是不可或缺的。频率综合器的性能在很大程度上牵制了电子系统的性能，因此，各类电子系统对频率综合器的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和分辨率提出越来越高的要求。如何设计出宽频带、高分辨率、低相噪、低成本以及高稳定性的频率综合器，早已成为了当今研究的热门课题。
　　一、锁相环及频率综合器简介
　　（一）锁相环
　　最基本的锁相环结构主要包括鉴相器、低通滤波器、VCO等，输入信号由晶体振荡器提供，输出信号可以直接或间接的作为收发系统中的本振信号。虽然单个VCO电路便可以通过自身振荡产生频率信号，但容易受到PVT的影响，使振荡频率发生改变，直接影响到收发机的调制和解调过程，产生很高的误码率甚至使系统无法正常工作。晶体振荡器可以保持较高的频率稳定度，其中石英振荡器的频率稳定度在25ppm到25ppm范围内。研究人员将VCO和晶体振荡器的优点结合起来，便提出了锁相环的概念。
　　（二）频率综合器
　　频率综合器也可以称为频率合成器，其实质就是发射机的激励信号源。频率合成是指由一个或多个频率稳定度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度的大量频率的过程。频率综合器应用较多的技术如下：第一，直接频率合成技术，利用采样定理通过查表的方法产生波形，其优点是频率切换响应快、分辨力较高、相位连续等，缺点是输出频率范围有限、输出杂散大；第二，锁相环频率合成技术，它利用锁相技术实现频率的加、减、乘、除，其优点是成本低、可合成任意频率，缺点是频率切换响应慢。
　　二、基于锁相环的频率综合器技术
　　基于锁相环的频率综合器是目前最为广泛的一种频率综合器，基于锁相环的频率综合器的基本结构主要由鉴频鉴相器、分频器、压控振荡器、晶体振荡器和环路滤波器等构成，其基本原理如图1所示。晶体振荡器产生的高稳定度和高准确度的输出频率作为鉴频鉴相器的参考时钟信号，决定了频率综合器输出频率的稳定度和准确度。压控振荡器工作在锁相环频率综合器的最高频率，是锁相环频率综合器的重要模块。
　　（一）鉴频鉴相器
　　鉴频鉴相器根据处理信号的不同可以分为模拟和数字鉴频鉴相器两大类，其中，模拟鉴频鉴相器的缺陷是存在着零点漂移、窄鉴相鉴频范围等，而数字鉴频鉴相器则不存在零點漂移，抗干扰能力很强。鉴频鉴相器主要作用是比较晶体振荡器的输出参考频率fref和分频器的输出频率fdiv的频率和相位，产生两信号的电压误差信号。当锁相环开始工作时，若fref与fdiv相差比较大时，鉴频鉴相器与环路滤波器共同工作，改变压控振荡器的控制电压，当两个频率足够接近时，鉴频鉴相器进行两个信号的相位比较。
　　（二）分频器
　　分频器是锁相环频率综合器中工作在最高频率的子电路，利用分频系数N把压控振荡器输出的信号变为原来的N倍，然后与来自石英晶体振荡器的基准信号进行比较。在低频应用中，可以通过可编程数字计数器实现可编程分频系数N，但是它不适应于高频应用，CMOS工艺技术下，数字计数器的最高工作频率会受到限制。高频锁相环频率综合器又是射频系统不可缺少的电路之一，通过加入高频多模预置分频器可以解决高速压控振荡器和低速数字计数器之间的速度问题。
　　（三）晶体振荡器
　　锁相振荡源具有频率稳定度高、相位噪声低、易于集成等突出优点，因而成为通信、雷达、武器制导和电子测量仪器等系统的核心部件。为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。通过对频率进行加、减、乘、除的运算，可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。
　　（四）压控振荡器
　　压控振荡器是锁相环系统的核心电路，它是锁相环系统工作频率最高的电路。随着压控振荡器的发展的不断进步，对其集成度的要求越来越高，其小面积和简单化的使用为设计者带来了很大的方便。锁相环的核心电路模块是压控振荡器，其性能指标直接影响锁相环的性能指标，同时调谐范围宽、相位噪声低和节省成本等是压控振荡器设计的重点和难点。
　　（五）环路滤波器
　　环路滤波器的主要作用是滤除环路中的低频噪声，减小加在压控振荡器上的噪声电压，同时建立锁相环频率综合器的动态特性；环路滤波器的阶数由其极点的个数决定，由于压控振荡器会在零频率处引入一个极点，因此整个锁相环频率综合器的阶数比环路滤波器的阶数大一个。为了获得较高精度的输出信号频率，同时防止参考信号的泄漏，必须使用带宽很窄的滤波器。
　　三、结束语
　　总而言之，锁相环频率综合器广泛应用在无线通信领域中，其本身就是一个非常复杂的数、模、射频混合系统。锁相环频综器的输出可以作为各种收发机的本地振荡信号，还可以完成调制、解调和载波恢复等功能，因此，不断完善基于锁相环的频率综合器技术具有重要意义。
　　【参考文献】
　　〔1〕梁亮。低电压CMOS分数分频锁相环频率综合器关键技术研究〔D〕。西安电子科技大学，2016。